Исследование ORNL, опубликованное в журнале Small, демонстрирует, как сканирующие просвечивающие электронные микроскопы, обычно используемые в качестве инструментов для визуализации, также способны прецизионно моделировать трехмерные элементы нанометрового размера в сложных оксидных материалах.
Предлагая точность в одной атомной плоскости, этот метод может найти применение при изготовлении структур для функциональных наноразмерных устройств, таких как микрочипы.
Структуры растут эпитаксиально или в идеальном кристаллическом выравнивании, что обеспечивает одинаковые электрические и механические свойства по всему материалу.
«Мы можем делать более мелкие вещи с более точными формами», — сказала Альбина Борисевич из ORNL, руководившая исследованием. "Процесс также является эпитаксиальным, что дает нам гораздо более явный контроль над свойствами, чем мы могли бы достичь с помощью других подходов."
Ученые ORNL наткнулись на этот метод, когда визуализировали плохо подготовленную тонкую пленку титаната стронция.
Образец, состоящий из кристаллической подложки, покрытой аморфным слоем того же материала, трансформируется при прохождении через него электронного луча. Команда из Института функциональной визуализации материалов ORNL, объединяющая ученых из разных дисциплин, работала вместе, чтобы понять и использовать открытие.
«Когда мы подвергали аморфный слой воздействию электронного пучка, мы, казалось, подталкивали его к принятию его предпочтительного кристаллического состояния», — сказал Борисевич. "Это происходит именно там, где электронный луч."
Использование сканирующего просвечивающего электронного микроскопа, который пропускает электронный луч через сыпучий материал, отличает этот подход от методов литографии, которые только моделируют или манипулируют поверхностью материала.
«Мы используем точный контроль луча, чтобы построить что-то внутри самого твердого тела», — сказал Стивен Джесси из ORNL. "Мы проводим преобразования, которые скрыты глубоко внутри структуры. Это было бы похоже на туннель внутри горы, чтобы построить дом."
Этот метод предлагает быстрый доступ исследователям, заинтересованным в изучении того, как характеристики материалов меняются с толщиной. Вместо того, чтобы визуализировать несколько образцов разной ширины, ученые могли бы использовать метод микроскопии, чтобы добавлять слои к образцу и одновременно наблюдать за тем, что происходит.
«Вся предпосылка нанонауки заключается в том, что иногда, когда вы сжимаете материал, он проявляет свойства, которые сильно отличаются от свойств объемного материала», — сказал Борисевич. "Здесь мы можем контролировать это. Если мы знаем, что существует определенная зависимость от размера, мы можем точно определить, где мы хотим быть на этой кривой, и пойти туда."
Теоретические расчеты на суперкомпьютере Titan ORNL помогли исследователям понять механизмы, лежащие в основе этого процесса.
Моделирование показало, что наблюдаемое поведение, известное как процесс детонации, согласуется с тем, что электронный луч передает энергию отдельным атомам в материале, а не нагревает область материала.
«С помощью электронного луча мы вводим энергию в систему и подталкиваем туда, куда она в противном случае ушла бы сама по себе, если бы у нас было достаточно времени», — сказал Борисевич. «Термодинамически он хочет быть кристаллическим, но этот процесс занимает много времени при комнатной температуре."
Исследование опубликовано как «Формирование кристаллических оксидов на атомном уровне: к созданию объемных нанотехнологий с точностью до одной атомной плоскости»."